Sva tijela koja nas okružuju sastavljena su od atoma. Atomi se pak sastavljaju u molekulu. Upravo zbog razlike u molekularnoj strukturi može se govoriti o tvarima koje se međusobno razlikuju, na temelju svojih svojstava i parametara. Molekule i atomi su uvijek u stanju dinamike. Krećući se, oni se još uvijek ne raspršuju u različitim smjerovima, već se drže u određenoj strukturi, koju dugujemo postojanju tako ogromne raznolikosti tvari u cijelom svijetu oko nas. Koje su to čestice i koja su njihova svojstva?
Opći koncepti
Ako krenemo od teorije kvantne mehanike, onda se molekula ne sastoji od atoma, već njihovih jezgri i elektrona, koji neprestano međusobno djeluju.
Za neke tvari, molekula je najmanja čestica koja ima sastav i kemijska svojstva same tvari. Dakle, svojstva molekula s gledišta kemije određena su njezinom kemijskom strukturom isastav. Ali samo za tvari s molekularnom strukturom vrijedi pravilo: kemijska svojstva tvari i molekula su ista. Za neke polimere, kao što su etilen i polietilen, sastav ne odgovara molekularnom sastavu.
Poznato je da svojstva molekula nisu određena samo brojem atoma, njihovom vrstom, već i konfiguracijom, redoslijedom povezivanja. Molekula je složena arhitektonska struktura u kojoj svaki element stoji na svom mjestu i ima svoje specifične susjede. Struktura atoma može biti manje ili više kruta. Svaki atom vibrira oko svog ravnotežnog položaja.
Konfiguracija i parametri
Dešava se da se neki dijelovi molekule rotiraju u odnosu na druge dijelove. Dakle, u procesu toplinskog kretanja, slobodna molekula poprima bizarne oblike (konfiguracije).
U osnovi, svojstva molekula određena su vezom (njezinom vrstom) između atoma i arhitekturom same molekule (struktura, oblik). Dakle, prije svega, opća kemijska teorija razmatra kemijske veze i temelji se na svojstvima atoma.
S jakim polaritetom, svojstva molekula teško je opisati korelacijama s dvije ili tri konstante, koje su izvrsne za nepolarne molekule. Stoga je uveden dodatni parametar s dipolnim momentom. Ali ova metoda nije uvijek uspješna, budući da polarne molekule imaju individualne karakteristike. Predloženi su i parametri koji uzimaju u obzir kvantne efekte, koji su važni pri niskim temperaturama.
Što znamo o molekuli najčešće tvari na Zemlji?
Od svih tvari na našem planetu, najčešća je voda. Ona, u doslovnom smislu, osigurava život svemu što postoji na Zemlji. Bez toga mogu samo virusi, ostale žive strukture u svom sastavu uglavnom imaju vodu. Koja svojstva molekule vode, karakteristična samo za nju, koriste se u gospodarskom životu čovjeka i životinjskog svijeta na Zemlji?
Na kraju krajeva, ovo je uistinu jedinstvena tvar! Nijedna druga tvar ne može se pohvaliti skupom svojstava svojstvenih vodi.
Voda je glavno otapalo u prirodi. Sve reakcije koje se javljaju u živim organizmima, na ovaj ili onaj način, događaju se u vodenom okolišu. To jest, tvari ulaze u reakcije dok su u otopljenom stanju.
Voda ima izvrstan toplinski kapacitet, ali nisku toplinsku vodljivost. Zahvaljujući tim svojstvima, možemo ga koristiti kao prijenos topline. Ovaj princip je uključen u mehanizam hlađenja velikog broja organizama. U industriji nuklearne energije, svojstva molekule vode dovela su do upotrebe ove tvari kao rashladnog sredstva. Osim što može biti reaktivni medij za druge tvari, sama voda može ulaziti u reakcije: fotolizu, hidrataciju i druge.
Prirodna čista voda je tekućina bez mirisa, boje i okusa. Ali pri debljini sloja većoj od 2 metra, boja postaje plavkasta.
Cijela molekula vode je dipol (dva suprotna pola). To je dipolna struktura uuglavnom određuje neobična svojstva ove tvari. Molekula vode je dijamagnet.
Metalna voda ima još jedno zanimljivo svojstvo: njezina molekula poprima strukturu zlatnog omjera, a struktura tvari poprima proporcije zlatnog presjeka. Mnoga svojstva molekule vode utvrđena su analizom apsorpcije i emisije prugastih spektra u plinskoj fazi.
Znanost i molekularna svojstva
Sve tvari, osim kemijskih, imaju fizička svojstva molekula koje čine njihovu strukturu.
U fizikalnoj znanosti, koncept molekula se koristi za objašnjenje svojstava krutih tvari, tekućina i plinova. Sposobnost svih tvari za difuziju, njihova viskoznost, toplinska vodljivost i druga svojstva određuju se mobilnošću molekula. Kada je francuski fizičar Jean Perrin proučavao Brownovo gibanje, eksperimentalno je dokazao postojanje molekula. Svi živi organizmi postoje zahvaljujući fino uravnoteženoj unutarnjoj interakciji u strukturi. Sva kemijska i fizikalna svojstva tvari od temeljne su važnosti za prirodoslovlje. Razvoj fizike, kemije, biologije i molekularne fizike doveo je do takve znanosti kao što je molekularna biologija, koja proučava osnovne pojave u životu.
Upotrebom statističke termodinamike, fizička svojstva molekula, koja se određuju molekularnom spektroskopijom, u fizikalnoj kemiji određuju termodinamička svojstva tvari potrebnih za izračunavanje kemijske ravnoteže i brzine njezina uspostavljanja.
Koja je razlika između svojstava atoma i molekula?
Prije svega, atomi se ne pojavljuju u slobodnom stanju.
Molekule imaju bogatiji optički spektar. To je zbog niže simetrije sustava i pojave mogućnosti novih rotacija i oscilacija jezgri. Za molekulu, ukupna energija se sastoji od tri energije koje su različite po redu veličine komponenti:
- elektronička školjka (optičko ili ultraljubičasto zračenje);
- vibracije jezgri (infracrveni dio spektra);
- rotacija molekule kao cjeline (radiofrekvencijski raspon).
Atomi emitiraju karakteristične linijske spektre, dok molekule emitiraju prugaste spektre koji se sastoje od mnogo blisko raspoređenih linija.
Spektralna analiza
Optička, električna, magnetska i druga svojstva molekule također su određena vezom s valnim funkcijama. Podaci o stanjima molekula i vjerojatnom prijelazu između njih pokazuju molekularne spektre.
Tranzicije (elektroničke) u molekulama pokazuju kemijske veze i strukturu njihovih elektronskih ljuski. Spektri s više veza imaju duge valne pojaseve apsorpcije koji padaju u vidljivo područje. Ako je tvar izgrađena od takvih molekula, ona ima karakterističnu boju. Sve su to organske boje.
Svojstva molekula iste tvari ista su u svim stanjima agregacije. To znači da se u istim tvarima svojstva molekula tekućih, plinovitih tvari ne razlikuju od svojstava čvrstih. Molekula jedne tvari uvijek ima istu strukturu, bez obzira nasamo agregatno stanje materije.
Električni podaci
Način na koji se tvar ponaša u električnom polju određen je električnim karakteristikama molekula: polarizabilnost i stalni dipolni moment.
Dipolni moment je električna asimetrija molekule. Molekule koje imaju centar simetrije poput H2 nemaju trajni dipolni moment. Sposobnost elektronske ljuske molekule da se kreće pod utjecajem električnog polja, uslijed čega u njoj nastaje inducirani dipolni moment, je polarizabilnost. Da bismo pronašli vrijednost polarizabilnosti i dipolnog momenta, potrebno je izmjeriti permitivnost.
Ponašanje svjetlosnog vala u izmjeničnom električnom polju karakteriziraju optička svojstva tvari, koja su određena polarizabilnosti molekule te tvari. Izravno povezani s polarizabilnošću su: raspršenje, refrakcija, optička aktivnost i drugi fenomeni molekularne optike.
Često se može čuti pitanje: "O čemu, osim o molekulama, ovise svojstva tvari?" Odgovor je prilično jednostavan.
Svojstva tvari, osim izometrije i kristalne strukture, određena su temperaturom okoline, samom tvari, tlakom, prisutnošću nečistoća.
Kemija molekula
Prije formiranja znanosti kvantne mehanike, priroda kemijskih veza u molekulama bila je neriješena misterija. Klasična fizika objašnjava usmjerenost izasićenje valentnih veza nije moglo. Nakon stvaranja osnovnih teorijskih podataka o kemijskoj vezi (1927.) na primjeru najjednostavnije molekule H2, teorija i metode proračuna počele su se postupno usavršavati. Na primjer, na temelju raširene uporabe metode molekularnih orbitala, kvantne kemije, postalo je moguće izračunati međuatomske udaljenosti, energiju molekula i kemijskih veza, raspodjelu elektronske gustoće i druge podatke koji su se u potpunosti podudarali s eksperimentalnim podacima.
Tvari s istim sastavom, ali različitom kemijskom strukturom i različitim svojstvima, nazivaju se strukturnim izomeri. Imaju različite strukturne formule, ali iste molekularne formule.
Poznate su različite vrste strukturnih izomerizma. Razlike leže u strukturi ugljičnog kostura, položaju funkcionalne skupine ili položaju višestruke veze. Osim toga, još uvijek postoje prostorni izomeri u kojima svojstva molekule tvari karakterizira isti sastav i kemijska struktura. Stoga su i strukturne i molekularne formule iste. Razlike leže u prostornom obliku molekule. Za predstavljanje različitih prostornih izomera koriste se posebne formule.
Postoje spojevi koji se nazivaju homolozi. Slične su strukture i svojstava, ali se razlikuju po sastavu za jednu ili više CH2 skupina. Sve tvari slične strukture i svojstava spojene su u homologne serije. Nakon proučavanja svojstava jednog homologa, može se zaključiti o bilo kojem drugom od njih. Skup homologa je homologni niz.
Pri transformaciji struktura materijekemijska svojstva molekula se dramatično mijenjaju. Čak i najjednostavniji spojevi služe kao primjer: metan, kada se spoji čak s jednim atomom kisika, postaje otrovna tekućina koja se zove metanol (metilni alkohol - CH3OH). Sukladno tome, njegova kemijska komplementarnost i učinak na žive organizme postaju drugačiji. Slične, ali složenije promjene događaju se pri modificiranju strukture biomolekula.
Kemijska svojstva molekula snažno ovise o strukturi i svojstvima molekula: o energetskim vezama u njoj i geometriji same molekule. To se posebno odnosi na biološki aktivne spojeve. Koja će kompetitivna reakcija biti prevladavajuća često određuju samo prostorni čimbenici, koji pak ovise o početnim molekulama (njihovoj konfiguraciji). Jedna molekula s "neugodnom" konfiguracijom uopće neće reagirati, dok druga s istim kemijskim sastavom, ali različitom geometrijom može reagirati trenutno.
Velik broj bioloških procesa promatranih tijekom rasta i razmnožavanja povezan je s geometrijskim odnosima između produkta reakcije i polaznih materijala. Za vašu informaciju: djelovanje znatnog broja novih lijekova temelji se na sličnoj molekularnoj strukturi spoja koji je biološki štetan za ljudski organizam. Lijek zauzima mjesto štetne molekule i otežava djelovanje.
Uz pomoć kemijskih formula izražava se sastav i svojstva molekula različitih tvari. Na temelju molekularne težine, kemijske analize, uspostavlja se i sastavlja atomski omjerempirijska formula.
Geometrija
Određivanje geometrijske strukture molekule vrši se uzimajući u obzir ravnotežni raspored atomskih jezgri. Energija interakcije atoma ovisi o udaljenosti između jezgri atoma. Na vrlo velikim udaljenostima ta energija je nula. Kako se atomi međusobno približavaju, počinje se stvarati kemijska veza. Tada se atomi snažno privlače jedan prema drugom.
Ako postoji slaba privlačnost, tada stvaranje kemijske veze nije potrebno. Ako se atomi počnu približavati na bliže udaljenosti, između jezgri počinju djelovati elektrostatičke odbojne sile. Prepreka snažnoj konvergenciji atoma je nekompatibilnost njihovih unutarnjih elektronskih ljuski.
Veličine
Molekule je nemoguće vidjeti golim okom. Toliko su male da nam čak ni mikroskop s povećanjem od 1000x neće pomoći da ih vidimo. Biolozi promatraju bakterije male čak 0,001 mm. Ali molekule su stotine i tisuće puta manje.
Danas se struktura molekula određene tvari utvrđuje difrakcijskim metodama: neutronska difrakcija, analiza difrakcije rendgenskih zraka. Postoji i vibracijska spektroskopija i elektronska paramagnetska metoda. Izbor metode ovisi o vrsti tvari i njenom stanju.
Veličina molekule je uvjetna vrijednost, uzimajući u obzir elektronsku ljusku. Poanta su udaljenosti elektrona od atomskih jezgri. Što su veći, manja je vjerojatnost da će pronaći elektrone molekule. U praksi se veličina molekula može odrediti uzimajući u obzir ravnotežnu udaljenost. Ovo je interval za koji se same molekule mogu približiti jedna drugoj kada su gusto nabijene u molekularni kristal i u tekućinu.
Velike udaljenosti imaju molekule za privlačenje, a male, naprotiv, za odbijanje. Stoga analiza difrakcije rendgenskih zraka molekularnih kristala pomaže u pronalaženju dimenzija molekule. Koristeći koeficijent difuzije, toplinsku vodljivost i viskoznost plinova, kao i gustoću tvari u kondenziranom stanju, može se odrediti red veličine molekulskih veličina.
